česky english Vítejte, dnes je pátek 03. prosinec 2021

Z aktuálního vydání: Software pro odhad spolehlivosti obvodu pomůže optimalizovat použité součástky

DPS 6/2021 | CAD/CAE/CAM - články
Autor: Ing. Milan Klauz | CADware s. r. o.
01.jpg

Předpověď spolehlivosti predikuje frekvenci selhání součástek a celého obvodu v průběhu doby, což je důležité měřítko pro posouzení kvality návrhu elektronického obvodu. Co už není na první pohled zřejmé, je skutečnost, že tato předpověď může pomoci optimalizovat použité součástky tak, že identifikuje ty poddimenzované, předimenzované a nevhodné.

Jak se zjistí poddimenzované, předimenzované a nevhodné součástky během analýzy spolehlivosti daného obvodu? Ruční výpočet pravděpodobné spolehlivosti je velmi pracný, zdlouhavý a náchylný k chybám. Budeme tedy uvažovat použití softwaru, například programu fiXtress [1].

Tento software počítá spolehlivost elektronického obvodu podle některého ze standardů vytvořených za tímto účelem. Nejznámějším standardem je americký Mil-HDBK-217-F2/G zaměřený na vojenské projekty, který je velmi konzervativní a dává horší výsledky, ale standardů je více podle povahy daného oboru průmyslu (Siemens SN29500, British Telecom HRD4 a HRD5 atd.).

Zde je potřeba říci, že tyto standardy neberou v úvahu fyzickou realizaci daného obvodu, ale pouze použité součástky s přihlédnutím k dalším okolnostem, jako jsou:

  • Druh a typ součástek (kondenzátor – elektrolytický, keramický, tantalový atd.)
  • Prostředí použití (pozemní pevné či pohyblivé, vzdušné, námořní, rakety atd.)
  • Zatížení součástek (elektrické zatížení – stress, V, A, W)
  • Teplota či rozsah teploty prostředí (s vyšší teplotou klesá spolehlivost)

Jednotlivé standardy se v metodě výpočtu trochu liší v závislosti na oboru použití (vojenský, telekomunikační, průmyslový atd.), ale i tak berou ještě v úvahu počet součástek (s vyšším počtem klesá spolehlivost celého obvodu).

Pokud by se někdo divil, že standardy pro odhad spolehlivosti neberou v úvahu i fyzickou realizaci daného obvodu (provedení desky plošných spojů, vibrace, mechanické namáhání atd.), zde je vysvětlení – pravděpodobná spolehlivost daného obvodu založená pouze na součástkách je primární, ze které se vychází. Pochopitelně, že výsledná realizace obvodu zhoršuje vypočtenou pravděpodobnost, mnohdy dosti výrazně.

Pro zjištění spolehlivosti fyzického provedení obvodu se používá jiný druh softwaru, například Sherlock od Ansys, který k tomu používá fyziku selhání (Physics of Failure).

Mírou spolehlivosti je počet hodin mezi dvěma poruchami vyjádřený pomocí MTBF (Mean Time Between Failure). Ten je převrácenou hodnotou λ (FR − Failure Rate). Každá součástka má svůj FR, který se mění v souvislosti s použitím, teplotou, elektrickým zatížením a s časem.

Program fiXtress má zabudované standardy pro výpočet spolehlivosti a knihovnu součástek s hodnotami FR, které modifikuje výpočtem v závislosti na vybraném standardu a konkrétním nastavení (typ součástky, použití, elektrické zatížení, teplotní rozsah atd.). Zobrazí výsledné hodnoty FR každé použité součástky a současně vypočítá výslednou hodnotu MTBF celého obvodu.

Výstupem výpočtu MTBF jsou v programu fiXtress také informace o předimenzovaných a poddimenzovaných součástkách z pohledu jejich zatížení a jmenovitých hodnot a také Pareto graf, který ukazuje, jak jednotlivé druhy součástek přispívají k nespolehlivosti celého obvodu. Tyto podklady lze využít k tomu, aby se použité součástky optimalizovaly. Poddimenzované součástky by měly být nahrazeny lépe dimenzovanými, protože nevyhovují z pohledu spolehlivosti. Předimenzované součástky sice zajišťují dobrou spolehlivost, ale protože bývají větší a dražší, je rozumné je také nahradit jinými, optimálně dimenzovanými.

cad-1 (jpg)
Obr. 1 Příklad výstupů z programu fiXtress od BQR − příspěvek jednotlivých součástek k nespolehlivosti obvodu ve výpisu (nahoře) a příspěvek druhů součástek v Pareto grafu (dole)

Správné dimenzování součástek je pouze jednou z několika věcí, které ovlivňují výslednou kvalitu navrženého obvodu. Velkou roli hrají i typy (provedení) jednotlivých součástek při jinak podobných parametrech, což platí zejména u kondenzátorů. Z Pareto grafu je zřejmé, které druhy součástek by bylo vhodné vyměnit za jiné typy, aby se zvýšila spolehlivost obvodu.

Jinou možností, jak při výpočtu MTBF optimalizovat použité součástky, je porovnání dvou či více variant daného obvodu. Varianta s lepším MTBF vypovídá o lépe optimalizovaných součástkách.

Dodatek

V případě, kdy program fiXtress nemá k dispozici hodnoty FR dané součástky, lze tento údaj buď vyhledat v údajích výrobce a do knihovny zapsat, nebo stanovit z uváděných hodnot výrobce v editoru, který je do programu zabudován. Zjištění poddimenzovaných a předimenzovaných součástek z pohledu spolehlivosti v daném obvodu vyžaduje údaje o jejich elektrickém zatížení (stress). Ty lze vypočítat, odměřit či odsimulovat a do programu zadat. Nejvyšší verze programu má vlastní obvodový simulátor, který si zjišťuje zatížení součástek sám. Návaznost mezi programem fiXtress a schematickým editorem, ve kterém je daný obvod nakreslen, je zajištěna načtením výpisu materiálu (BOM, Partslist) a výpisem zapojení (Netlist).

Odkazy:

[1] www.bqr.com/products/fixtress/

[2] www.cadware.cz/elektronika/fixtress

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik